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Les problèmes environnementaux concernant l'aviation, solutions actuelles et alternatives d'avenir

Travaux de recherche en transport

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De Lionel Scheepmans

Ce travail de recherche est une synthèse des problèmes environnementaux concernant le domaine de l’aviation suivi d’une présentation des solutions et alternatives possibles. À l’image des études qu’il clôture, ce travail abordera le thème de façon générale. Les sujets abordés ont donc été traités de façon globale sans entrer dans des détails trop techniques qui souvent nous éloigneraient du domaine de l’aéronautique.

Les informations contenues dans ce travail ont principalement été puisées sur le réseau Internet et dans la collection Science et Vie. Pour une recherche d’informations plus détaillée, vous trouverez en référence à la suite de chaque sujet abordé les adresses des sites Internet les plus intéressants et les plus complets (Internet :) ainsi que les numéros de magazines et numéros de pages des articles Science & Vie les plus complets (Magazine Science et Vie :).

Les problèmes environnementaux planétaires

Notre terre, un avion

L’aviation est un domaine pointu où une réglementation très stricte ne permet pas de voir les choses avec négligence. De fait, en vol, une simple défaillance peut être fatale pour les passagers d’un aéronef, voire pour les personnes se trouvant sur les lieux lors du crash.

Aussi la terre n’est-elle pas une sorte d’aéronef au fonctionnement très compliqué. Un engin où l’on doit, comme dans un avion, maintenir l’équilibre des forces pour pouvoir assurer la sécurité de ses passagers.

Comme le pilote dans son avion, il nous est permis de vérifier le bon fonctionnement de la terre de par son observation. Pour suivre avec détails les processus d’équilibre, de nombreux moyens ont en effet été mis en place tel que satellites, stations météorologiques, sondes océaniques, etc. Ces informations très complexes fournies pas ces postes d'observations sont contrôlées en permanence par les scientifiques. Ce sont eux qui surveillent le tableau de bord de notre planète. Dès l’apparition d’une anomalie, ils nous informent du phénomène inquiétant. Avertis du problème, les dirigeants de notre planète sont libres de réagir en bons pilotes et prendre les dispositions nécessaires pour garantir la sécurité des générations à venir, autrement dit, les passagers présent et futur cette engin spatial que l’on appelle Terre.

L’exemple de la couche d’ozone

En 1984, les scientifiques mettent à jour l’existence d’une diminution significative de la concentration d’ozone (O3) au printemps en Antarctique et à l’automne en Arctique.

L’ozone se trouve concentré dans la stratosphère, avec une accumulation importante entre 15 et 40 km d’altitude et un maximum à 35 km. Grâce à lui la vie sur terre est possible car il filtre le rayonnement du soleil. Il réduit l’intensité des ultraviolets, rayons très nuisibles pour les êtres vivants.

Après une fausse accusation de la circulation aérienne qui aurait au contraire tendance à produire de l’ozone à cet étage de l’atmosphère, la raison de ce phénomène est finalement identifiée. Ce sont les chlorofluorocarbones (CFC), gaz dont les plus connus sont les gaz réfrigérants qui détruisent la couche d’ozone. Heureusement, des gaz substituts aux CFC existent mais ils sont plus chers à produire.

Face au problème, la communauté internationale réagit et concrétise son action avec la signature par de nombreux pays d’un protocole à Montréal, en 1987. Ensuite, grâce à de nombreuses conférences, une solidarité internationale a permis de mettre en place les mécanismes financiers pour permettre à tous les pays concernés de produire les substituts de CFC. En 1992 les CFC sont interdits par la Communauté économique européenne.

Aujourd’hui, la teneur de l'atmosphère en CFC diminue et on peut espérer retrouver dans 20 ans l'équilibre de la couche d’ozone. La gestion du problème de la couche d’ozone a donc été un bel exemple de solidarité mondiale. Malheureusement, les solutions d’aujourd’hui peuvent devenir les problèmes de demain. Car depuis, un nouveau danger menace la planète et cette fois, ce sont les hydrofluorocarbures (HFC), gaz de substitution des CFC, qui font partie de la liste des gaz dangereux. Ils contribuent en effet au réchauffement de la terre par un phénomène appelé « effet de serre » dont nous parlerons plus loin.

Remarque : Il faut faire la distinction entre ozone stratosphérique et troposphérique. L’ozone existe aussi dans la troposphère et les mélanges avec celui de la stratosphère sont marginaux du fait qu’ils sont séparés de la tropopause. Les problèmes liés à l’ozone troposphérique seront traités plus loin.

Sources

Internet : http://www.notre-planete.info/environnement/trouozone_0.php

Magazine Science et Vie n^o 56 p.66

Le réchauffement climatique

Depuis quelques années, les relevés statistiques des températures terrestres inquiètent les scientifiques. Comme le montre ce graphique ci-contre, la terre se réchauffe et les conséquences de son réchauffement climatique ne sont pas connues avec précision à ce jour.

Les chercheurs tablent sur des modèles informatiques du fonctionnement de la terre dont la grande complexité nous empêche d’obtenir des résultats rapides. Mais la communauté scientifique est unanime à ce jour pour dénoncer l’origine anthropique de la perturbation du système climatique. Il la considère comme dangereuse d’un point de vue mondial et pouvant être dramatique d’un point de vue local (fonte des glaces, montée du niveau des océans).

Le processus responsable du réchauffement climatique a été identifié et reconnu par une majorité de scientifiques. Il se nomme communément « l'effet de serre ».

Sources

Internet :

Magazine Science et Vie n^o 1020 p.98

L’effet de serre

L’énergie solaire nous parvient sur terre sous forme de rayonnement dont la plus grande partie traverse l’atmosphère pour réchauffer la surface du globe. La terre, à son tour, se défait de cette énergie (aussi sous forme de rayonnement) et la renvoie dans l’espace. Pour maintenir l’équilibre des températures, la terre doit dégager dans l’espace autant d’énergie qu’elle en absorbe.

Le rayonnement émis par la surface terrestre est en majeure partie absorbé dans l’atmosphère par la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone et d’autres « gaz à effet de serre » (GES) naturellement présents dans la nature. Ces gaz empêchent l’énergie de passer directement de la surface du globe dans l’espace.

En revanche, de nombreux phénomènes interdépendants (notamment le rayonnement, les courants aériens, l’évaporation, la formation des nuages et les précipitations) permettent à cette énergie de s’élever dans l’atmosphère, d’où elle peut rayonner dans l’espace. Ce processus plus lent et moins direct est tout à fait opportun, car si la surface terrestre pouvait diffuser de l’énergie librement dans l’espace, la terre serait froide et sans vie. Mais l’émission de gaz à effet de serre engendrée par les activités humaines perturbe la façon dont le climat maintient l’équilibre entre l’énergie incidente et l’énergie ascendante. L’énergie ascendante, gardée sous forme de chaleur par l’excédant de gaz à effet de serre, provoque le réchauffement de la planète, comme le ferait la serre d’un jardinier…

Les gaz à effet de serre sont bien connus :

vapeur d’eau ( ${\ce {H2O}}$ ), gaz carbonique ( ${\ce {CO2}}$ ), méthane ( ${\ce {CH4}}$ ), oxyde nitreux ( ${\ce {N2O}}$ ), ozone ( ${\ce {O3}}$ ), hydrofluorocarbures (HFC), perfluorocarbures (PFC) et hexafluorure de soufre ( ${\ce {SF6}}$ ).

Une grande partie de ceux-ci sont produits par nos activités humaines tel que le transport, l’industrie, l’agriculture, la production d'énergie, etc.Chacun de ces gaz a un pouvoir d’absorption différent. Le méthane, par exemple, est plus « réchauffant » que le dioxyde de carbone. Mais le CO2 peut rester dans l’atmosphère un siècle contre dix ans pour le méthane. Vu l’énorme quantité émise par l’homme et sa contribution de 70% au réchauffement global, le CO2 devient le gaz à effet de serre le plus important. Aussi, à chaque GES on attribue un Potentiel de Réchauffement Global (PRG) qui donne pour une masse unitaire du gaz considéré la masse de CO2equivalente en termes d’impact sur l’effet de serre sur un horizon donné.

PRG pour les GES repris par le protocole de Kyoto sur un horizon de 100 ans :

Tableau des différents GES en fonction de leur PRG
GES	PRG
CO2	1
CH4	21
N2O	310
HFC	140 à 11700
PFC	6500 à 9500
SF6	23900

Sources

Internet :

Magazine Science et Vie : n^o1016 p.110

Le Protocole de Kyoto

La réaction des gouvernements face au réchauffement climatique s’est concrétisée lors d’une Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques en 1992 à Rio. Ce rassemblement a permis l’élaboration de mesures diverses visant à diminuer la production de gaz à effet de serre par l’homme.

La convention-cadre a été suivie par l’adoption du Protocole de Kyoto en 1997. Le Protocole est entré en vigueur ce 16 février 2005 grâce à la signature de128 pays. Pour entrer en vigueur, il devait être signé par un minimum de 55 pays représentant plus de 55% des émission de CO2. Le protocole engage juridiquement et quantitativement ces pays signataires à réduire de 5,2% leurs émissions de gaz à effet de serre pour l'horizon 2008 - 2012, par rapport à leurs émissions de 1990.

En plus de nombreuses recommandations, le Protocole attribue à chaque partie (pays ratifiant) un quota de gaz à effet de serre qui peut être rejeté annuellement dans la période 2008 - 2012. Si un pays réalise une réduction d'émissions plus importante que celle qui lui a été imposée, il crée un surplus. Le Protocole permet alors de vendre ce surplus, notamment aux pays susceptibles de rejeter une quantité supérieure à celle autorisée et qui sont dans l’incapacité d’une réduction.

Les émissions de l'aviation et de la navigation internationales ne sont pas prises en compte dans le Protocole de Kyoto étant donné la complexité d’attribuer celles-ci à un pays. Mais les projections faites sur l’émission du secteur de l'aviation devraient inciter les négociateurs à accélérer les discussions sur les mesures envisageables dans ce secteur (inventaires, technologies, normes…).

Déjà au niveau européen, une pression sur les pays qui ont fait obstacle à la conclusion de l’Organisation de l'aviation civile internationale (OACI) relatif à l’adoption de valeurs-limites plus strictes pour la réduction des émissions se fait sentir.

D’autres pressions proviennent des autres secteurs du transport et de certains partisans. Ils souhaiteraient voir abolir les subventions nuisibles dans le secteur de l'aviation, et introduire une taxe internationale sur le kérosène. L’aviation jouit de cette détaxe qui a été instaurée au sortir de la seconde guerre mondiale pour promouvoir le développement de l’aviation civile.

Il faut donc s’attendre dans un futur proche à l’apparition de nouvelles normes et réglementations dans le secteur aéronautique, notamment après 2020 suite au renouvellement du Protocole. Aussi, la Commission européenne vient déjà de lancer une consultation populaire en ligne intitulée « réduire l’incidence de l’aviation sur le changement climatique ».

Sources

Internet :

Magazine Science et Vie : n^o1049 p.86

Impact de l'aviation sur le réchauffement climatique

La plupart des analyses permettent d’observer une augmentation des émissions de gaz à effet de serre dans le secteur du transport aérien. Et pour cause, l'aviation a connu une croissance d'environ 48% entre 1990 et 2000. Le groupe d'experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) évalue les émissions de CO2 par l’aviation à 0,14 milliard de tonnes de carbone pour l’année 1992 (soit 0,51 milliard de tonnes de CO2). L’aviation comptait donc en 1992 dans le monde pour 2% des émissions anthropiques totales de CO2, et 13% des émissions liées aux transports.

Selon l'Institut pour l'Environnement de Stockholm, qui a publié le 5 juillet 2004 un rapport sur l'aviation et le développement durable, c’est bien un peu moins de 2 % du total des gaz à effet de serre qui sont émis par le trafic aérien. Mais du fait de leurs émissions à haute altitude, leurs effets sont 3 fois plus nocifs que s'ils étaient émis au sol. Cela avec la croissance prévisible du trafic, fait qu'en 2050 l'aviation pourrait avoir une responsabilité de 15 % dans le changement climatique.

La production de dioxyde de carbone (
Début d’une formule chimique
CO₂
Fin d’une formule chimique
)

Chaque kilogramme de kérosène brûlé libère 3,15 kg de gaz carbonique.

En moyenne, par voyageur, un avion de ligne émet environ 140 grammes de CO2 au kilomètre, contre 100 g/km pour une automobile. Mais le CO2produit par les avions dans la stratosphère ne peut être absorbé par les végétaux terrestres à cause de la barrière que crée la tropopause.

Pour diminuer cette production, il est nécessaire de poursuivre la diminution de consommation en carburant des avions par tous les moyens possibles. Mais les moteurs d’avions ont déjà vu leur rendement s’améliorer de 50% entre 1970 et 2000 et le secteur du transport aérien est en expansion.

Plusieurs solutions à court terme sont envisageable comme :

Rationaliser les transports du secteur en augmentant le taux de remplissage des avions.
Remplacer les avions les plus bruyants, qui sont aussi les plus consommateurs en carburant.
Améliorer la gestion des flux de trafic aérien.
Réduire la consommation d’énergie sur les plates-formes aéroportuaires.
Améliorer l’intermodalité air/transports collectifs.

D’autre solutions techniques seront traitées dans des prochains chapitres.

La production d’oxyde d’azote (NOx)

La haute température de combustion des moteurs d’avions conduit les molécules d’oxygène et d’azote de l’air à former des oxydes d’azote (NOx). Ceux-ci ont un impact positif sur l’effet de serre par la dégradation du méthane. Il contribuent aussi à la formation d’ozone (O3) reconnu comme gaz à effet de serre mais utile dans la stratosphère et nuisible, on le verra, dans la troposphère. Le bilan de la contribution des NOx au réchauffement de la planète n’est donc pas encore clairement défini.

La formation de cirrostratus par les « contrails »

En altitude de croisière, les avions peuvent former des traînées blanches appelées contrails, qui depuis quelques décennies modifient significativement l’albédo planétaire. La formation de ces « trails » s’explique par le fait que l’air traversé par les avions peut être saturé d’eau sans qu’il y ait formation de nuages par manque de noyaux de condensation.

Ces noyaux de condensation sont fournis par les réacteurs sous forme d’aérosols (suies, vapeur d’eau…). Ces traînées peuvent évoluer en cirrus, nuages contribuant à l’effet de serre. Les cirrus laissent passer une grande partie du rayonnement solaire mais transforment le rayonnement terrestre réverbéré en chaleur dont une partie s'accumule dans l'atmosphère.

Une publication signée par les professeurs Travis, Carleton, Lauritsen des universités de Wisconsin, Pennsylvanie et Illinois intitulée « Variation des écarts de température du Sol américain pendant la période du 11 au 14 septembre 2001 durant la Mise au sol des avions. », nous informe comme l’explique le sous-titre de l’« Évidence de l’influence des jet contrails sur le climat ». Pendant le temps de l’expérience, Ils auraient décelé un impact de l’ordre de plus d’un degré centigrade, en baisse le jour et en hausse la nuit.

Les incertitudes sur l'impact radiatif des nuages constituent actuellement un des principaux facteurs qui limitent la compréhension du climat et de son évolution. Si l’on sait couramment que les gaz à effet de serre tendent à réchauffer le système Terre-atmosphère en faisant écran au rayonnement infrarouge émis par la Terre vers l'espace, l'effet de serre dû aux nuages est lui, moins bien connu. Outre cet effet de serre, les aérosols et les nuages, en faisant écran au rayonnement solaire, agissent comme un parasol et tendent à refroidir l'atmosphère. Mais dans quelle mesure ? Toute la question est de déterminer quel est pour la planète, globalement, mais aussi selon les régions, le bilan final de la concurrence entre l'effet parasol et l'effet de serre.

Pour diminuer la formation de cirrostratus, il serait possible d’abaisser les altitudes de vol mais ceci entraînerait un accroissement de la consommation une perte de confort pour les passagers et des recherche de modifications aérodynamiques sur les avions qui sont actuellement conçus pour des vols à hautes altitudes.

Sources

Internet :

Magazine Science et Vie : n^o1052 p.106

La prolifération de maladies et la délocalisation d’espèces

En 1968 la grippe de Hong Kong, responsable de deux millions de morts, a mis un an pour atteindre 52 des plus grandes villes du monde. Si elle s’était déclarée en l’an 2000, elle aurait fait le tour de la planète en six mois.

Le Syndrome respiratoire aigu grave (SRAS) fut la première maladie émergente du XXIème siècle : une épidémie s'est vite répandue via les transports aériens en 2003. Elle fut heureusement circonscrite grâce à une intense mobilisation internationale.

Fait moins connu, un rapport de l’OMS de 2000 fait état du paludisme aéroportuaire. De 1969 à 1999, douze pays ont notifié 87 cas de paludisme chez des personnes vivant à proximité des aérodromes. (France 26, Belgique 16, Grande-Bretagne 14). Le paludisme est une maladie véhiculée par les moustiques qui eux-mêmes sont véhiculés par les avions.

L’aviation assure donc non seulement la dissémination de maladies mais aussi la dissémination d’animaux et de plantes indésirables dans des régions hors de leur biotope naturel. La venue d’une nouvelle espèce animale ou végétale dans un nouveau biotope sans prédateur peut avoir des conséquences dramatiques de par la prolifération de celle-ci.

Réduire le risque de contamination en cas d’épidémie serait possible en améliorant le conditionnement d’air dans les avions. Aussi, pour les cas extrêmes, il serait possible que la mise en quarantaine soie remise d’application. Concernant la délocalisation d’espèces, une réglementation sur l’importation d’animaux exotiques existe. Mais les espèces nuisibles tels que les insectes et les champignons peuvent nécessiter des systèmes de désinfection.

Sources

Internet :

Magazine Science et Vie : n^o1049 p.85

La contribution au tourisme de masse

Dans certains pays qui émergent par le tourisme, l’argent facile que les visiteurs apportent pervertit la vie locale. Un pourboire donné pour un petit service équivaut parfois au gain normal d’une journée de travail harassant. Ce fait, lié à la drogue ou à la prostitution, peut avoir des répercussions dramatiques. La Thaïlande est un exemple tristement célèbre pour son tourisme sexuel et sa prostitution enfantine.

Pour autre exemple, à Bali où la drogue fait des ravages, les jeunes Balinais attirés par le mode de vie des touristes perdent totalement leurs repères ancestraux. Les traditions se perdent comme l’accueil de l’étranger, les danses, les offrandes et l’entretien des temples. L’économie locale est bouleversée. Les anciens ne voient pas la relève, les champs sont délaissés et l’argent facilement gagné est vite dépensé en singeant le touriste.

Un changement de traditions et d’économie locales ne doit pas forcément être vu de façon négative, mais le tourisme est une rentrée d’argent instable. Il suffit d’un attentat ou d’une catastrophe naturelle, pour qu’une économie basée sur le tourisme s’effondre. Aussi, la détérioration du patrimoine naturel et culturel par le flux du touriste de masse pousse à la nécessité de développer un tourisme durable.

Il existe au niveau des Nations Unies, une charte qui attend de se faire appliquer.

Source

Internet : http://www.planetecologie.org/JOBOURG/Francais/tourisme.html http://www.insula.org/tourism/version.htm

Problèmes environnementaux régionaux

Le bruit

Comme en témoigne le dossier de Bruxelles National, le bruit des avions est un problème épineux à proximité des aéroports. Il a été admis que dans l’union européenne plus de dix millions de citoyens souffrent de nuisances sonores dues au trafic aérien.

Le bruit des moteurs à réaction

La réduction du bruit des moteurs à réaction a été très importante depuis l’apparition de ceux-ci. Pour exemple, un avion à réaction des années 1960 tel que la Caravelle produisait autant de bruit que 125 avions de la génération actuelle tels que l'Airbus A320.

Le bruit du jet

À la sortie du réacteur, le jet des gaz, au départ rectiligne, se met à osciller et devient instable à mesure qu’il interagit avec l'air ambiant. Ces interactions provoquent des turbulences, sources de bruit de basses fréquences. Ce bruit de jet dépend du diamètre de la tuyère mais aussi de la vitesse d'écoulement du jet. Les turboréacteurs adaptés au vol supersonique sont nécessairement à simple flux ou à très faible taux de dilution. Le jet constitue alors la principale source sonore.

Le bruit de soufflante.

La soufflante est la partie composée de nombreuses pales carénées à l'avant du moteur à double flux. Dans ce type de moteur, le flux secondaire enrobe le flux primaire à la sortie du réacteur ce qui permet de réduire l’incidence du bruit de jet. Le bruit à large bande émis par ces turboréacteurs actuels, à grand taux de dilution, est dû essentiellement à la soufflante.

Les bruits internes

Les bruits internes proviennent principalement de la combustion du carburant dans le moteur et des turbines.

Les techniques actuelles de réduction sonore des moteurs à réactions atteignent leurs limites. Construire des moteurs encore plus silencieux implique en contrepartie de diminuer leurs performances (baisse de rendement, problème de taille, accroissement de la consommation).

Devant cet ennuyeux dilemme, les compromis sont donc de plus en plus difficiles à trouver pour les constructeurs. Aussi les méthodes proposées actuellement, comme augmenter la taille des moteurs, produire des bords de tuyères en dents de scies, où placer des matériaux absorbants ne sont pas des solutions miracles.

De nouvelles idées plus audacieuses sont en cours de recherches comme mettre les moteurs au dessus des ailes à l’image du VFW 614 (http://icaer4.club.fr/datas/VF14.htm) ou au dessus d’un empennage en V et limiter ainsi la diffusion du bruit vers le sol, ou encore produire de façon artificielles des bruits de fréquences inverses pour annuler ceux du moteur.

Enfin un turboréacteur peut être utilisé pour alimenter une hélice il devient alors turbopropulseur. Au bruit du moteur s’ajoute donc celui de l’hélice dont on parlera ci-dessous.

Le bruit du moteur à pistons

Les moteurs à pistons sont par nature moins bruyants que les moteurs à réaction. Mais l’aviation légère et sportive qui utilise ce type de moteur utilise des altitudes de croisière plus basses que l’aviation commerciale (surtout les ultra légers). De plus, les terrains d’atterrissages sont situés généralement plus près des zones habitées.

Les bruits provenant d’un moteur à pistons proviennent majoritairement de l’échappement des gaz brûlés. Contrairement aux ULM les avions neufs ne sont en général pas équipés de silencieux. Mais les constructeurs de silencieux existent et la réglementation d’un pays peut rendre leur installation obligatoire.

Le bruit des hélices

Les moteurs à pistons sont généralement couplés à une hélice propulsive.

L’ extrémité d’une hélice se déplace à une vitesse proche de celle du son. Elle cause des turbulences responsables d'un bruit qui peut être d'un niveau sonore plus ou moins élevé selon le type de l’hélice et sa vitesse de rotation.

En général, plus les hélices sont courtes et plus elles sont lentes, moins elles font de bruit. Pour conserver une force propulsive suffisante en rapport à la puissance du moteur on augmente alors le nombre de pales.

Les bruits aérodynamiques

Le bruit des avions ne se limite pas à celui de leurs moteurs. Les bruits résultant de l’écoulement de l'air le long de la voilure sont aussi très important.

C’est à l'atterrissage que les bruits aérodynamiques dominent même si le son du moteur est encore largement présent. Ces bruits sont d'autant plus gênants que les avions restent plus longtemps à basse altitude lors de l'approche.

Les principales sources de bruit en plus du train d’atterrissage, sont situées au voisinage des discontinuités de l'aile. Les systèmes hyper sustentateurs sont donc très bruyants car ils créent des tourbillons lorsque la voilure est déployée.

Les recherches pour diminuer les bruits aérodynamique des surfaces portantes n'en sont qu’à leur début. Les solutions actuelles portent donc sur le pilotage en cherchant notamment à améliorer les procédures d’approche des avions. Les recherches consistent à trouver la pente d’atterrissage qui minimiserait au maximum les bruits aérodynamiques selon le type d’avion et ce dans les possibilités de l’espace aérien.

Sources

Internet :

Magazine Science et Vie n^o1049 p.92

L’émission de gaz toxiques

La pollution toxique d’un moteur provient principalement d’une combustion incomplète du carburant car son mélange avec l’air n’est jamais parfait.

Les principaux gaz toxiques qui sont produit sont :

Les hydrocarbures imbrûlés (HC) cancerogènes.
Le monoxyde de carbone (CO) qui bloque la transmission d’oxigène dans le sang.
Le dioxyde de soufre (SO2) qui aggrave les maladies de l'appareil respiratoire et participe au phénomène des pluies acides par la combinaison d’acide sulfurique (H2SO4).
Les oxydes d’azote (NOx) qui touchent les fonctions respiratoires, augmentent la sensibilité aux maladies et participent aux pluies acides par combinaison de nitrate d'ammonium (NH4NO3) et d'acide nitrique (HNO3).
Indirectement l’ozone (O3) toxique au niveau du sol. Il accentue des troubles respiratoires des personnes sensibles.
L’ozone troposphérique est produit par l’action du rayonnement solaire sur les oxydes d’azote mélangés aux émissions de solvants et d‘hydrocarbure. Les pics d’ozone ont pour conséquence l’apparition d’un brouillard photochimique (smog) caractérisé par une diminution de la visibilité et par des atteintes aux humains, animaux, plantes et matériaux.

Les moteurs 4 temps

Dans le monde automobile où les moteurs à 4 temps sont principalement utilisés, des progrès considérables ont été réalisés pour diminuer l’émission de gaz toxiques. D’une part en diminuant grandement la consommation, d’autre part en préconisant l’installation de pots d’échappement catalytiques sur les moteurs diesel comme essence. Ces pots d’échappement conçus actuellement à plusieurs étages contiennent des métaux précieux qui permettent de brûler ou de transformer en gaz non toxiques les gaz toxiques précités. La réduction peut dépasser les 90% quand le pot est à température de fonctionnement.

Malheureusement, l’utilisation du pot catalytique n’est pas généralisée en aviation, pour une question de poids et de rendement. De plus l’Avgas, essence plombée à haut indice d'octane utilisée sur les avions ne permettrait pas son utilisation. Le plomb est un polluant toxique mais a aussi la propriété d’encrasser les pots catalytiques, raison pour laquelle il a été retiré de l’essence destinée aux véhicules de la route. L'Avgas est donc un carburant problématique pour la réduction d’émissions de gaz toxique et l’utilisation d’essence voiture pour un moteur non adapté entraîne sa détérioration.

Très récemment, on voit apparaître de nouveau types d’avions qui utilisent d’autres carburants, comme le DA 42 de Diamond Aircraft bimoteur carburant au kérosène et l’Ipanema de Embraer qui fonctionne à l’alcool combustible. Enfin sur les avions à moteurs à pistons une commande « mixture » permet de contrôler la richesse du mélange et de l'adapter à la richesse de l'air qui varie avec l'altitude de l’avion. En effectuant un mauvais réglage ou en utilisant celui-ci pour refroidir le moteur, on augmente la proportion du carburant imbrûlé.

Sources

Internet :

Magazine Science et Vie n^o 1038 p.82 et n^o 1037 p.122

Les moteurs 2 temps

Principalement utilisés dans l’aviation ultra légère, les moteurs deux temps sont les plus pollueurs. Ils brûlent non pas de l'essence pure mais un mélange d'huile et d'essence. En raison de leur fonctionnement technique, une forte proportion d’huile et d'essence traverse le moteur sans participer à la combustion. Aussi ils ne peuvent être équipés de pots catalytiques car ceux-ci s’encrasseraient trop vite.

Les moteurs 2 temps ont pour avantage leur rapport poids puissances, mais les améliorations techniques apportées aux moteurs 4 temps les rendent de plus en plus compétitif sur ce point. Aussi plus écologiques, les moteurs 4 temps sont aussi avantageux au niveau de la fiabilité, de la consommation et de l’endurance.

Les moteurs à réaction

Les moteurs à réaction utilise du kérosène pour leurs combustion. Produit de distillerie, il se situe entre le diesel et l’essence.

Les émissions des moteurs d’avions à réaction dépendent du régime du moteur, et donc de la phase de vol dans laquelle ils sont. À chaque phase du cycle décollage atterrissage sont associées une durée et une pollution spécifique.

Ainsi les moteurs qui tournent à plein régime au décollage émettent majoritairement des oxydes d’azote. Au sol en revanche, les moteurs tournent au ralenti, ce qui se traduit par des combustions incomplètes et donc des rejets de monoxyde de carbone CO et d’hydrocarbures imbrûlés.

La réduction des pollutions atmosphériques reste une gageure pour les constructeurs des moteurs. Il leur faut trouver le meilleur compromis entre la diminution des émissions toxiques, l’augmentation du rendement et la sécurité des avions. Sans gonfler démesurément les coûts.

Des recherches sont aussi en cour pour réduire la consommation en diminuant la traînée induite, la traînée d’onde et les forces de frottements.

Dans l’attente de progressions futures, une solution appliquée sur les aéroports internationaux est de prévoir aux emplacements d’arrêt une alimentation en électricité 400 Hertz. En effet les gros avions de transport sont équipés d’un apu, système motorisé auxiliaire permettant l’approvisionnement en énergie lorsque les moteurs principaux sont éteints. Mais l’apu est aussi un moteur, et bien qu’il soit plus petit, il produit aussi des gaz indésirables. Un système d’approvisionnement des avions en énergie permet donc de ne pas les utiliser ces moteurs.

Sources

Internet :

Magazine Science et Vie :n^o1052 p.106

L’émission d’aérosols

La combustion d’essence et de kérosène dans les moteurs d’avions produit des aérosols sous forme de suies. Les moteurs fonctionnant au kérosène et au diesel produisent beaucoup plus d’aérosols que les moteurs à essence. Les aérosols sont des particules solides ou liquides de dimensions inférieures à 100 micromètre et présentant une vitesse de chute négligeable.

Chaque fois que nous respirons, des milliers de ces particules pénètrent dans nos poumons et se déposent, suivant leurs tailles, dans les voies respiratoires ou dans les alvéoles (lieu des échanges gazeux). Les propriétés des aérosols se définissent en fonction du diamètre aérodynamique de la particule appelé taille particulaire.

Les particules de diamètre aérodynamique inférieur 10 µm sont appelée PM10. Parmi ces particules celles entre 7 et 10 µ peuvent être principalement retenues dans le nez. Ensuite et au fur et à mesure que leurs tailles diminuent, elles peuvent atteindre les voies respiratoires supérieures et les poumons. Les PM10 ont un impact sur la morbidité respiratoire.

Plus petites que les PM10, les particules plus fines, appelées PM2,5 (diamètre aérodynamique inférieur à 2,5 μm), sont plus dangereuses dans la mesure où elles pénètrent plus profondément dans les poumons et peuvent atteindre la région alvéolaire et devenir cancérigène.

Une autre nuisance due à la production d’aérosols est la salissure et le noircissement, ou « soiling » résultant du dépôt et de la rémanence de particules atmosphériques carbonées à la surface des matériaux. Ce soiling des façades des immeubles et des objets mobiliers extérieurs sont des nuisances souvent évoquées par les résidents des zones péri-aéroportuaires.

Les études concernant les effets des suies émises par la combustion du kérosène dans les moteurs d’avions sont peu nombreuses et ne concernent pas les problème de pollutions environnementales.

Mais des études sont en cours grâce au nouveau dispositif optique appelé oscillateur paramétrique optique (OPO) pour obtenir une vision de la nature des particules et des gaz émis par la combustion du kérosène. Des prélèvements en sortie d’un banc moteur d’avion civil sont réalisés avec des paramètres de fonctionnement (régime du moteur, richesse en carburant…) les plus proches possibles de ceux observés en zone aéroportuaire. Le problème des aérosols a été résolu sur les moteurs diesel automobile en installant un filtre à particules sur l’échappement (Fap). Mais aucun filtre n’est envisageable sur les moteurs à réaction. Seul un changement de carburant pourrait permettre une réduction des émissions d’aérosols. Sujet abordé dans le chapitre 4.

Sources

Internet :

Magazine Science et Vie : n^o 1038 p. 82

Le délestage de kérosène en cas de problème

La pression qu’exerce un avion sur une piste d’aéroport est moins importante au décollage qu’à l’atterrissage. En effet, à l’atterrissage la piste doit non seulement supporter le poids d’un avion, mais aussi la force nécessaire pour dévier l’avion de sa trajectoire descendante. Ce poids apparent variera en fonction de l’habileté du pilote de faire correctement son « arrondi » dans sa manœuvre d'atterrissage.

De ce fait, lorsqu’un avion doit interrompre son voyage après une difficulté survenue pendant ou peu de temps après le décollage, il ne lui est permis de revenir sur un aéroport qu’après s’être délesté pour atteindre le poids maximum autorisé à l’atterrissage. Ce délestage se fait en vidant une partie du kérosène contenue dans ses réservoirs.

Ce délestage doit être effectué au-dessus d’une zone peu urbanisée, en mer ou dans le pire des cas au dessus des terres et ce, à plus de 2 000 m d’altitude. La majeure partie du kérosène délesté se vaporise dans l’atmosphère (90 %), le reste est susceptible d’atteindre la mer ou le sol.

Un Boeing 747, partant pour un vol long courrier pourrait délester cinquante à soixante mille litres de kérosène. Limiter la charge d’un avion au décollage à celle de l'atterrissage pourrait éviter ce type de problème mais cela pourrait exiger dans le cas de long courrier une escale de ravitaillement, avec les problèmes qui en découlent.

Pollution des eaux

L'extraction, le stockage et le transfert dans la chaîne de production et d’approvisionnement en hydrocarbures s'accompagnent de pollutions diverses : marées noires, dégazages, pollution des eaux continentales par le raffinage, fuites de stocks entreposés, pertes lors de transfert, accidents ...

La réglementation et le contrôle dans le domaine existent et des moyens de contrôle se développent comme le marquage ADN des produits pour une meilleure filiation.

La pollution due à une fuite accidentelle peut être anticipée par des systèmes de récolte ou traitée par l’utilisation des produits absorbants comme la tourbe.

Nettoyant les pistes, les eaux pluviales sont chargées en de nombreuses matières polluantes : hydrocarbures, détergents, poussières, mais aussi en hiver de glycols et autres produits luttant contre le verglas. Après collecte, ces eaux sont traitées afin de garantir le respect des exigences sur la qualité du rejet au milieu naturel.

Sources

Internet :

Alternatives d'avenir

De nouveaux concepts aérodynamiques

Avec l’apparition prochaine sur nos aéroports de l’airbus A380, il est fort probable que nous ayons atteint une limite qu’on pourrait qualifier de génétique à l’évolution en taille des cellules de types traditionnelles. Par ailleurs Boeing, concurrent direct d’Airbus, ne semble pas vouloir relever le défi du nombre de places. Si un gros avion crée moins de problèmes environnementaux que deux petits pour la même quantité de passagers, la recherche de nouveaux concepts aérodynamiques est donc d'actualité. Il n’existe encore aucun projet concret mais les recherches sont en cours sur les pistes des plus diverses dont voici quelques exemples.

L’avion à double pont

L’avion à double pont permet d’augmenter la charge utile mais pose des problèmes au niveau de son envergure.

Source

Internet : http://www.techno-science.net/?onglet=articles&article=025

L’aile volante

Pour augmenter la capacité des avions du futur, il est probable que l’on se tourne vers le concept de l’aile volante dont le principal avantage réside dans le fait que toute la structure de l’avion est portante. Aussi la perte de rendement aérodynamique d’une aile delta par rapport à une aile classique est compensé par la suppression de traînée due à l’empennage.

La réalisation de ce type de structure pose des problèmes d’envergure, de pressurisation et d’installation de hublots pour les passagers.

Sources

Internet : http://www.cybersciences.com/cyber/4.0/nov96/aile1196.asp Magazine Science et Vie n^o933 p.102, n^o1000 p.170 et n^o1002 p.128

Le dirigeable

L’accident du « Hindenburg » (le dirigeable allemand qui brûla en 1935) suscita l’abandon du « plus léger que l’air ».

Les problèmes environnementaux de notre époque nous font revenir sur nos pas pour reconsidérer le dirigeable comme moyen de transport. Mais bien qu’il soit aujourd’hui gonflé à l’hélium gaz ininflammable de gros problèmes d’exploitation subsistent.

Parmi ses avantages :

Il permet un accès aux endroits dont les configurations géographiques interdisent l’accès aux aviations classiques.
Le bruit qu‘il produit sera toujours inférieur à celui d’un avion quelques soient les moteurs, car il n’y a pas de bruit aérodynamique dû à la portance. Aussi les bruits lors du décollage et de l’atterrissage sont localisé sur une surface réduite.
Le vol stationnaire sans dépense d’énergie lui donne une grande flexibilité de vol.

Parmi ses inconvénients :

Sa grande taille est source de traînées et le rend très sensible aux conditions météorologiques.
Sa vitesse lente ( record du monde : 111,8 km /h ) n’est acceptable que pour certaines utilisations.
Il est de fabrication coûteuse par sa taille mais aussi par les infrastructures qu’il nécessite.
Il demande une grande quantité d’hélium, gaz cher, dont les fuites dues à la finesse de sa molécule sont inévitables.

Aérostats existant aujourd’hui :

L’aérophile (nom du ballon captif utilisé à Bruxelles par Belgacom), le plus grand du monde a une enveloppe de 5,500 m³ gonflée à l’hélium et est équipé d’une nacelle circulaire pouvant accueillir jusqu’à 30 personnes à la fois. Relié au sol par un câble il élève les touristes voyageurs à 150 mètres (http://www.aerophile.com/).
Le Zeppelin NT, de la compagnie du même nom, a une vocation touristique pour le transport de personnes (http://dirigeables.free.fr/zeppelinNT.htm).
Le Cargolifter, dirigeable de grande taille, était destiné au transport de certaines charges encombrantes mais l’entreprise a fait faillite en 2002 sans avoir construit un seul exemplaire. (http://dirigeables.free.fr/CargoLifter.htm).

Sources

Internet : http://www.techno-science.net/?onglet=articles&article=022 Magazine Science et Vie n^o992 p.150

Des moteurs non polluants

Les nouveaux carburants

Des substituts aux carburants classiques des avions utilisant des moteurs à pistons existent comme nous avons déjà pu le constater. À ceux déjà vus nous pourrions ajouter certains biocarburants dont la production nécessite de grandes quantités de biomasse et des procédés qui ne sont pas toujours très écologiques. Mais le carburant parfait, s’il en est un, est bien l’hydrogène. Comme son nom l’indique sa combustion simple n’a pour résidu que de l’eau. De plus, la molécule d’hydrogène est présente dans la nature de façon la plus abondante.

L’idée de développer une société utilisant l’hydrogène comme principal vecteur d’énergie est prise très au sérieux. L’Islande sert déjà comme terrain test en la matière.

Mais l’hydrogène est-il compatible avec l’aviation ?

Techniquement, il est possible de remplacer dans un réacteur l’utilisation du Kérosène par de l'hydrogène sous forme liquide à très basses températures (température de liquéfaction –253°c) comme en témoigne le projet Cyroplane d’Airbus.

Malheureusement cette nouvelle technologie apporte son lot d’inconvénients car si la simple combustion de l’hydrogène ne génère que de l’eau, à très haute températures sa combustion entraîne une importante production de NOx. Les moteurs à hydrogène rejettent 2,8 fois plus d'eau qu'un moteur classique, ce qui favoriserait la formation de cirrus.

Le stockage et le transport de l’hydrogène génèrent de gros problèmes tant au niveau du volume de stockage que de la sécurité.

L’hydrogène est un gaz très volatil, inflammable et explosif. Les fuites de celui-ci créent un risque d’explosion et pourraient nuire à la couche d’ozone.

Sources

Internet :

Le moteur électrique

Voici un moteur qui, dans le domaine de l’aviation présente beaucoup d’avantages sur le moteur à pistons. Démarrage automatique, puissance instantanée, grande plage de vitesses, simplicité d’entretien, insensibilité au givre, au renversement , aux variations de densité de l’air, bruit négligeable, pollution zéro, grande longévité… Ce serait le moteur d’avion idéal s’il ne nécessitait pas d’être approvisionné par une énergie difficile à stocker et à transporter.

Mais déjà, le constructeur Boeing travaille sur la réalisation d’un prototype muni d’une pile à hydrogène. Dans le domaine de l’automobile, le record actuel est de 311 km/h pour un moteur de 600 chevaux.

Sources

Internet :

Le moteur à air comprimé

Le moteur à air comprimé existe mais les problèmes liés au stockage de l’air comprimé ne pourraient permettre une autonomie suffisante pour une application dans l’aviation. Aussi si le moteur à air comprimé vol actuellement, c’est sur des avions modèle réduit.

Sources

Internet :

Stockage d’électricité et production embarquée

L’électricité est une énergie très commode et propre pour peu qu’elle soit fabriquée de façon écologique. Les risques de son utilisation sont connus et maîtrisés mais elle n’existe pas de façon spontanée dans la nature ou en tout cas pas de façon exploitable. Il faut donc la produire puis la stocker et, si sa production ne pose pas de soucis, son stockage reste un problème épineux.

La Batterie lithium polymère

La batterie Lipo est actuellement le système d’accumulation d’électricité le plus performant. D’une grande capacité, elle se présente comme une enveloppe souple d’une épaisseur de 3.5 mm et d’une grande légèreté. Son rapport poids puissance est trois fois supérieur aux derniers accumulateurs commercialisés.

Elle a un coût de maintenance quasi nul mais peut s'avérer dangereuse si elle ne n’est pas utilisée et manipulée correctement (risque d’auto-combustion). Aussi son prix reste très élevé.

Déjà très présente dans le milieu du modélisme, elle devrait certainement s'intégrer dans de nombreuses applications de l’aviation à taille réelle.

Sources

Internet :

Magazine Science et Vie n^o991 p.136

La pile à combustible

La pile à combustible est sans doute la solution la plus plausible pour l’approvisionnement des moteurs électriques de demain. Grosso modo son principe repose sur une réaction inverse à celle de l’hydrolyse. Elle produit à partir d’hydrogène de l’énergie répartie en électricité pour 60% et en chaleur pour 40%. L’exploitation de ces deux types d’énergies (cogénération) permettrait à la pile à combustible de supplanter facilement l’apu des avions de grande taille.

Son utilisation en aviation légère est envisagée sur un projet de partenariat entre Boeing et Air Diamond. Les inconvénients de la pile à combustible réside dans son prix de revient actuellement très élevé et dans son approvisionnement en hydrogène dont le transport et le stockage restent complexe.

Toutefois, une alternative au ravitaillement existe si l’on utilise de l’alcool pour produire de l’hydrogène à bord, mais dans ce cas il y a nécessité d’utiliser un réformeur, appareil qui permet la production d’hydrogène à partir d’alcool. Malheureusement, il est polluant et accuse une perte de rendement et un coût de production supplémentaire. La pile à combustible fonctionnant directement avec l’alcool existe mais son rendement est actuellement très faible.

Quoi qu’il en soit hydrogène et alcool ne se trouvent pas naturellement dans la nature et leur production devra répondre aux exigence d’un développement durable.

Sources

Internet :

Magazine Science et Vie n^o1004 p.140

L’avion solaire

La cellule photovoltaïque serait une solution idéale pour alimenter les moteurs électriques d’un aéronef: énergie gratuite, pas de problème de gestion de carburant, rentabilité augmentant avec l’altitude et le froid, peu d’entretien, grande longévité... Malheureusement son rendement est trop faible. L’énergie fournie au mettre carré par le soleil est de 1 200 W. Avec des cellules dépassant difficilement un rendement de 25%, il faudrait une surface énorme pour assurer une puissance équivalente à celle d’un moteur d’un avion classique.

Malgré tout, le défi de parcourir des distances en avion solaire a été relevé, notamment avec Solar Challenger qui traversa la manche en 1981, et prochainement peut être avec un nouveau tour du monde de Bertrand Piccard à bord du Solar Impulse.

Sources

Internet :

Magazine Science et Vie : n^o958 p.134

Conclusion

Plus rapide, plus propre, plus sûr, moins bruyant et moins cher : tel sera l'avion du futur… C'est du moins le vœu de tous et une condition essentielle au fantastique essor auquel l'aviation civile semble promise. Quoi qu’il en soit, le paysage mondial du transport aérien va changer dans les décennies à venir et l'avion devra aussi faire sa mue.

Face à de telles ambitions, la recherche se mobilise depuis des années pour tendre vers cet idéal aérien. Mais la question principale pour l’aviation comme pour le reste des activités humaines sera celle de l’énergie. Aux sources d’énergie fossile polluante et en cours d’épuisement, il faudra d’ici peu trouver une alternative. La recherche semble s’orienter vers l’hydrogène et l’électricité comme vecteur d’énergie, mais l’un comme l’autre pose des problèmes de stockage et de transport.

Enfin, il nous reste à trouver les moyens nécessaires à leurs productions. Une production qui se doit d’être renouvelable, non polluante et capable de couvrir la demande en augmentation constante. Quelle sera l’énergie du future ? Nucléaire, éoliennes, solaire, océanique ? Les pistes sont nombreuses et un nouveaux débat s’ouvre pour les décennies à venir.

À mon sens, la société devrait s’orienter vers une production décentralisée utilisant les technologies les mieux adaptées aux lieux de production.

Ce système aurait l’avantage de minimiser le transport d’énergie tout en évitant les monopoles de production trop souvent à l’origine de troubles politiques.

Mais l’avenir nous l’apprendra…

Sources

Internet :

Les problèmes environnementaux planétaires

Notre terre, un avion

L’exemple de la couche d’ozone

Le réchauffement climatique

L’effet de serre

Le Protocole de Kyoto

Impact de l'aviation sur le réchauffement climatique

La production de dioxyde de carbone (Début d’une formule chimiqueCO2Fin d’une formule chimique)

La production d’oxyde d’azote (NOx)

La formation de cirrostratus par les « contrails »

La prolifération de maladies et la délocalisation d’espèces

La contribution au tourisme de masse

Problèmes environnementaux régionaux

Le bruit

Le bruit des moteurs à réaction

Le bruit du moteur à pistons

Le bruit des hélices

Les bruits aérodynamiques

L’émission de gaz toxiques

Les moteurs 4 temps

Les moteurs 2 temps

Les moteurs à réaction

L’émission d’aérosols

Le délestage de kérosène en cas de problème

Pollution des eaux

Alternatives d'avenir

De nouveaux concepts aérodynamiques

L’avion à double pont

L’aile volante

Le dirigeable

Des moteurs non polluants

Les nouveaux carburants

Le moteur électrique

Le moteur à air comprimé

Stockage d’électricité et production embarquée

La Batterie lithium polymère

La pile à combustible

L’avion solaire

Conclusion

La production de dioxyde de carbone (
Début d’une formule chimique
CO₂
Fin d’une formule chimique
)